专题53 验证物理规律或测量物理量实验（原卷版+解析版）-2023届高考物理一轮复习知识点精讲与最新高考题模拟题同步训练

2023高考一轮知识点精讲和最新高考题模拟题同步训练

第十章  力学创新实验

专题53 验证物理规律或测量物理量实验

第一部分  知识点精讲

高中物理中有些物理规律可以利用常用器材进行实验验证，例如动量定理、弹性势能表达式、库仑定律、理想气体状态方程等等。有些物理量通过设计实验进行测量，例如怎样测量很大圆弧的半径，怎样在完全失重状态下测量物体的质量等。

实验验证物理规律或测量物理量实验试题情境的设计与创新

对于创新型实验的处理,最根本的方法是要把其从新情境中分离出来,找出与常规实验的相通之处,然后运用熟悉的实验原理和数据处理方法进行解答.例如.利用平抛运动探究功与速度变化的关系..利用钢球摆动验证机械能守恒定律..研究物体所受空气阻力与运动速度的关系等。.

第二部分 最新高考题精选

1．（2021高考江苏物理卷）小明利用如图1所示的实验装置验证动量定理．将遮光条安装在滑块上，用天平测出遮光条和滑块的总质量，槽码和挂钩的总质量．实验时，将滑块系在绕过定滑轮悬挂有槽码的细线上．滑块由静止释放，数字计时器记录下遮光条通过光电门1和2的遮光时间和，以及这两次开始遮光的时间间隔，用游标卡尺测出遮光条宽度，计算出滑块经过两光电门速度的交化量．

（1）游标卡尺测量遮光条宽度如图2所示，其宽度______；

（2）打开气泵，带气流稳定后调节气垫导轨，直至看到导轨上的滑块能在短时间内保持静止，其目的是__________________；

（3）多次改变光电门2的位置进行测量，得到和的数据如下表请根据表中数据，在方格纸上作出图线．

（4）查得当地的重力加速度，根据动量定理，图线斜率的理论值为_________；

（5）实验结果发现，图线斜率的实验值总小于理论值，产生这一误差的两个可能原因时_______．

A．选用的槽码质量偏小         

B．细线与气垫导轨不完全平行

C．每次释放滑块的位置不同     

D．实验中的测量值偏大

【名师解析】（1）根据游标卡尺读数规则，遮光条的宽度为10mm+4×0.05mm=10.20mm。

（2）调节气垫导轨，直至看到滑块能保持静止，其目的是将气垫导轨调至水平。

（3）将表中各组数据，利用描点法，先描出各个点，然后过尽可能多的点作出直线。

（4）由动量定理，mg△t=（M+m）△v，变化为△v=△t，△v—△t图像斜率的理论值为k==1.96m/s2.

(5)由此可知，选用的槽码质量m偏大，可使斜率实验值偏大，选项A错误；细线与气垫导轨不完全平行，则作用力小于mg，导致斜率实验值小于真实值，选项B正确；每次释放滑块的位置不同，不影响实验测量，选项C错误；实验中△t测量值偏大，将导致图线斜率减小，实验值小于理论值，选项D正确。

【参考答案】（1）10.20  （2）将气垫导轨调至水平（3）如图。（4）1.96（5）BD

2．（9分）（2020高考全国理综I）

某同学用如图所示的实验装置验证动量定理，所用器材包括：气垫导轨、滑块（上方安装有宽度为d的遮光片）、两个与计算机相连接的光电门、砝码盘和砝码等。

实验步骤如下：

（1）开动气泵，调节气垫导轨，轻推滑块，当滑块上的遮光片经过两个光电门的遮光时间________时，可认为气垫导轨水平；

（2）用天平测砝码与砝码盘的总质量m1、滑块（含遮光片）的质量m2；

（3）用细线跨过轻质定滑轮将滑块与砝码盘连接，并让细线水平拉动滑块；

（4）令滑块在砝码和砝码盘的拉动下从左边开始运动，和计算机连接的光电门能测量出遮光片经过A、B两处的光电门的遮光时间Δt1、Δt2及遮光片从A运动到B所用的时间t12；

（5）在遮光片随滑块从A运动到B的过程中，如果将砝码和砝码盘所受重力视为滑块所受拉力，拉力冲量的大小I=________，滑块动量改变量的大小Δp=________；（用题中给出的物理量及重力加速度g表示）

（6）某次测量得到的一组数据为：d=1.000 cm，m1=1.5010-2 kg，m2=0.400 kg，△t1=3.90010-2 s，Δt2=1.27010-2 s，t12=1.50 s，取g=9.80 m/s2。计算可得I=________N·s，Δp=____ kg·m·s-1；（结果均保留3位有效数字）

（7）定义，本次实验δ=________%（保留1位有效数字）。

【参考答案】（1）大约相等  （5）m1gt12.  m2d（1/△t2-1/△t1）.

（6）0.221  0.212  （7）4

【名师解析】

（1）当滑块上的遮光片经过两个光电门的遮光时间相等时，说明滑块上的遮光片经过两个光电门时的速度相等，滑块做匀速直线运动，可以认为气垫导轨水平。

（5）将砝码和砝码盘所受重力视为滑块所受拉力，则拉力为F=m1g，拉力冲量大小为I=Ft12= m1gt12.滑块经过光电门A时速度vA =d/△t1，经过光电门B时速度vB =d/△t2，滑块动量改变量大小△p=m2vB- m2vA =m2d（1/△t2-1/△t1）.

（6）拉力冲量大小I= m1gt12 =1.50×10-2×9.80×1.50N·s=0.221 N·s。滑块动量改变量大小Δp =m2d（1/△t2-1/△t1）=0.400×1.000×（1/（1.27010-2）-1/（3.90010-2））=0.212 kg·m·s-1；

（7）本次实验=4%。

3 （2020海南高考）滑板运动场地有一种常见的圆弧形轨道，其截面如图，某同学用一辆滑板车和手机估测轨道半径R（滑板车的长度远小于轨道半径）。

主要实验过程如下：

①用手机查得当地的重力加速度g；

②找出轨道的最低点O，把滑板车从O点移开一小段距离至P点，由静止释放，用手机测出它完成n次全振动的时间t，算出滑板车做往复运动的周期T=________；

③将滑板车的运动视为简谐运动，则可将以上测量结果代入公式R=________（用T﹑g表示）计算出轨道半径。

【名师解析】②滑板车围绕平衡位置的运动可以等效为单摆的简谐运动，滑板车做往复运动的周期T= t/n 。

③滑板车的运动与摆长为R的单摆运动等效，根据单摆周期公式T=2π，可得R=。

【参考答案】②t/n  ③

  4.（6分）（2015全国理综I·22）某物理小组的同学设计了一个粗侧玩具小车通过凹形桥最低点时的速度的实验。所用器材有：玩具小车、压力式托盘秤、凹形桥模拟器（圆弧部分的半径为R=0.20m）。

完成下列填空：

（1）将凹形桥模拟器静置于托盘秤上，如图（a）所示，托盘秤的示数为1.00kg;

（2）将玩具小车静置于凹形桥模拟器最低点时，托盘秤的示数如图（b）所示，该示数为______kg;

（3）将小车从将凹形桥模拟器某一位置释放，小车经过最低点后滑向另一侧，此过程中托盘秤的最大示数为m；多次从同一位置释放小车，记录各次的m值如下表所示：

（4）根据以上数据，可求出小车经过将凹形桥最低点时对桥的压力为____N，小车经过将凹形桥最低点时的速度大小为____m/s，(重力加速度大小取9.80m/s2.计算结果保留2位有效数字)

【参考答案】 （2）1.40 （2分）  （4）7.9（2分）    1.4（2分）

【命题意图】  本题主要考查设计性实验、质点在竖直面的圆周运动及其相关的知识点，意在考查考生综合运用相关知识分析解决问题的能力。

【解题思路】  由于托盘秤的最小刻度为0.1kg，测量读数要估读到0.01kg，所以由图示刻度可读出玩具小车静置于凹形桥的最低点时托盘秤的示数为1.40kg。

求出5次实验记录的m值的平均值，得m=1.81kg，减去凹形桥模型的质量1kg，可得玩具小车对凹形桥的压力为（1.81-1）×9.80N=7.9N.由牛顿第三定律，在最低点，凹形桥对玩具小车的支持力F=7.9N.

根据题述，可知玩具小车质量m=1.40kg-1.00kg=0.4kg，在最低点，由牛顿第二定律，F-mg=m ,即7.9N-0.40×9.80N=0.4×，解得：v=1.4m/s。

【易错点拨】解答此题的易错点主要有：一是托盘秤读数没有估读到0.01kg；二是把测量出的质量看作是压力；三是把测量的m平均值直接乘以g得到玩具小车对凹形桥的压力；四是把托盘秤示数1.40kg当作玩具小车质量。

第三部分 最新模拟题精选

1.（2022山西考前适应性测试） (5分)回力车,施压拖动后轮卷紧弹簧,放手后弹簧恢复,通过传动系统驱动小车前进。为探究弹簧卷紧后具有的弹性势能,某同学用图(a)所示的方式进行了实验。在长木板的左端垫:上小木块,微调木板的倾斜程度以补偿阻力。拖动后轮卷紧弹簧，接通电源后释放小车,让小车沿木板开始运动。得到的纸带如图(b)所示。0~9是从某点开始选取的计数点,相邻两点间还有四个点未标出，其问距如图所示。已知打点计时器使用交流电的频率为50 Hz ,测得小车的质量为40.0g，

完成下列填空:

 (1)从图示时刻开始，在弹簧逐渐释放的过程中，小车做加速度_______(填 “不变”“逐渐增大”“逐渐减小”“先增大后减小”或“先减小后增大”)的加速直线运动;

(2)在打下_ ___两个相邻计数点 的过程中,弹篑恢复到初始状态;

(3)不考虑传动系统的阻力,可估算出弹簀卷紧时具有的弹性势能为_______J。(保留 2位有效数字)

【参考答案】（1）逐渐减小 （2）5 、 6（3）1.7×10-2

【名师解析】（1）由于纸带上相邻点迹之间的位移差越来越小，由△x=aT2可知，从图示时刻开始，在弹簧逐渐释放的过程中，小车做加速度逐渐减小。

(2)由纸带上数据可知，在打下5、，6两个相邻计数点 的过程中,弹篑恢复到初始状态;

(3)v7=9.2m/s。根据能量守恒定律，不考虑传动系统的阻力,可估算出弹簀卷紧时具有的弹性势能为Ep=mv72=1.7×10-2J。

2．（2022吉林长春重点高中质检）一细绳跨过悬挂的定滑轮，两端分别系有小球A和B，如图所示。一实验小组用此装置测量小球B运动的加速度。

令两小球静止，细绳拉紧，然后释放小球，测得小球B释放时的高度h0=0.590 m，下降一段距离后的高度h=0.100 m；由h0下降至h所用的时间T=0.730 s。由此求得小球B加速度的大小为a=_______m/s2（保留3位有效数字）。

从实验室提供的数据得知，小球A、B的质量分别为100.0 g和150.0 g，当地重力加速度大小为g=9.80 m/s2。根据牛顿第二定律计算可得小球B加速度的大小为a′=_______m/s2（保留3位有效数字）。

可以看出，a′与a有明显差异，除实验中的偶然误差外，写出一条可能产生这一结果的原因：__________。

【参考答案】1.84    1.96    滑轮的轴不光滑，绳和滑轮之间有摩擦（或滑轮有质量）   

【名师解析】

①有题意可知小球下降过程中做匀加速直线运动，故根据运动学公式有

代入数据解得a=1.84m/s2；

②根据牛顿第二定律可知对小球A有

对小球B有

带入已知数据解得；

③在实验中绳和滑轮之间有摩擦会造成实际计算值偏小。

3．（6分）（2021吉林名校四模）为测量弹簧劲度系数，某探究小组设计了如下实验，实验装置如下图（1）图（2）所示，角度传感器与可转动“T”形螺杆相连，“T”形螺杆上套有螺母，螺母上固定有一个力传感器，力传感器套在左右两个固定的套杆（图2中未画出）上，弹簧的一端挂在力传感器下端挂钩上，另一端与铁架台底座的固定点相连。当角度传感器顶端转盘带动“T”形螺杆转动时，力传感器会随着“T”形螺杆旋转而上下平移，弹簧长度也随之发生变化。

（1）已知“T”形螺杆的螺纹间距d=4.0×10-3m，当其旋转300°时，力传感器在竖直方向移动______m。（结果保留2位有效数字）

（2）该探究小组操作步骤如下：

①旋转螺杆使初状态弹簧长度大于原长

②记录初状态力传感器示数F0以及角度传感器示数θ0

③旋转“T”形螺杆使弹簧长度增加，待稳定后，记录力传感器示数F1，其增加值△F1=F1-F0角度传感器示数θ1，其增加值△θ1=θ1-θ0

④多次旋转“T”形螺杆，重复步骤③的操作，在表格中记录多组△F、△θ值：

下图已描出5个点，请将剩余点在图中描出并连线。

⑤若上图中的直线斜率a，则用d、a写出弹簧的劲度系数的表达式为k=______________

22．

【参考答案】（1） （2分）

（2）作图 （2分） 

 （3） （2分）  

【名师解析】（1）[当其旋转360°时，力传感器在竖直方向移动d=4.0×10-3m，则当其旋转300°，力传感器在竖直方向移动距离为

（2）描点作图如下

角度增加时，弹簧形变量为，则有，根据胡克定律得，解得，将上式变换得，图像斜率为，解得。

4.（2021湖南郴州三模）某同学想测量某地重力加速度g的大小和圆弧轨道的半径R。所用装置如图甲所示，一个倾角为37°的固定斜面与竖直放置的光滑圆弧轨道相切，一个可以看作质点、质量为m的滑块从斜面上某处由静止滑下，滑块上有一个宽度为d的遮光条，在圆弧轨道的最低点有一光电门和压力传感器（没有画出），可以记录挡光时间t和传感器受到的压力F。

（1）。若某次挡光时间为t0，则此时遮光条速度v=           ；

（2）实验过程中从斜面的不同位置释放滑块，然后记录对应的遮光时间t和压力传感器的示数F，得到多组数据，该同学通过图像法来处理数据，得到如图乙所示的图像，但忘记标横轴表示的物理量，请通过推理补充，横轴表示的物理量为             。（选填“t”、“1/t”、“t2”或“1/t2”）

（3）已知图乙中图线的斜率为k，纵截距为b，则可知某地重力加速度g=         ；圆弧轨道的半径R=         。（用已知物理量符号表示）

【参考答案】（1）  （2）  （3）b/m   m

【名师解析】（1）遮光条速度v=

（2）由牛顿第二定律，FN-mg=m

由牛顿第三定律有：FN=F，联立解得：F=mg+m，

所以横轴表示的物理量为。

（3）由F=mg+m，对比图乙可知，k= m，b=mg，

解得g=b/m，R= m

5.(9分) （2022云南师大附中质检）某实验小组利用如图16甲所示装置来验证机械能守恒定律。A、B是两个相同的小物块，用天平测得其质量均为m, C是内部装有砝码的托盘，其总质量为M, A、B间用轻弹簧拴接，B、C间用轻质且不可伸长的细绳相连。物块A静止放置在一压力传感器上，C的正下方放置一测速仪，该测速仪能测出C的速率，压力传感器与测速仪相连，对应数据可向计算机输出。整个实验过程中弹簧均处于弹性限度内，弹簧的弹性势能只与弹簧本身及形变量有关，不计滑轮与细绳的摩擦，当地的重力加速度为g。

(1)开始时，系统在外力作用下保持静止，细绳拉直但张力为零。现自由释放C，当C向下运动到某一位置时，压力传感器示数为零，测速仪显示的对应速率为v，且v不为零。其中M和m大小关系应满足M _______m (填“小于”“等于”或“大于”),才能实现上述过程。

(2)保持A、B质量m不变，增加C中砝码的个数，即增大托盘和砝码的总质量M,重复步骤(1)，当压力传感器示数再次为零时，C下落的高度为____ ( 设弹簧的劲度系数为k)，与前一次相比C下落的高度将_______(填“增加”“减少”或“不变”)。

(3) 重复上述操作，得到多组不同M下对应的v。根据所测数据，为更直观地验证机械能守恒定律，作出图线如图乙所示，图线在纵轴上的截距为b，则弹簧的劲度系数k=_____(用题目中的已知量表示)。

【参考答案】．（除特殊标注外，每空2分，共9分）

（1）大于

（2）   不变

（3）（3分）

【名师解析】（1）根据题意，压力传感器的示数为零，且不为0，因此C减少的重力势能大于B增加的重力势能，C下落的高度等于B物体上升的高度，所以C的质量M大于B的质量m。

（2）刚释放C时，弹簧处于压缩状态。若使压力传感器示数为零，则弹簧处于拉长状态，拉力为，因此弹簧的形变量为，增加M的质量，使M下落，由于压力传感器的示数再次为零，不论C的质量如何，要使压力传感器示数为零，则B物体上升了，C下落的高度为，C下落的高度不变。

（3）从释放到压力传感器示数为零，弹簧的弹性势能不变，重力势能的减小量等于动能的增加量，则有，即，可知纵轴截距，解得。

6.（6分）（2020高考模拟示范卷2）某同学准备利用如图装置探究劲度系数较大的轻质弹簧T的弹性势能与其压缩量之间的关系．图中B为一固定在桌面．带有刻度的平直光滑导轨，小盒C用轻绳悬挂于O点，弹簧T左端固定，用小球A沿导轨B向左挤压弹簧，释放后球A弹出，射入一较重的小盒C中与小盒C一起向右摆动，摆动的最大角度θ可以被准确测出．球A射入盒C后两者的重心重合，重心距悬点O的距离为L．试问：

（1）欲完成此探究实验，该同学在实验过程中除了要测量最大摆角θ和重心距悬点O的距离L外，还需要测量哪些物理量？写出这些物理量及其字母代号．_________________

（2）通过上述的物理量可求出弹簧T将球A弹出时释放的弹性势能EP．写出其计算表达式（无需书写推导过程）．___________________________

（3）下面是本实验中的几个步骤：①按实验装置安装好器材；②用刻度尺测定C的重心到悬点O的距离L； ③反复调节盒C的位置，使其运动轨迹平面与光滑轨道在同一平面内，且盒C静挂，开口正对导轨末端，A．C两者重心同高；④用球A压缩弹簧，使其重心处于轨道的某一刻度线上，记录此时的读数；⑤释放A球，让它射入盒C中，一起与C摆动到最大高度；⑥记录最大摆角θ；⑦处理数据，得出结论．在上述步骤中还缺少哪些主要步骤？请你写出来．___________________

（4）该实验除了要保证光滑导轨水平．小球A能正射入小盒C并与C一起运动以外，还应注意些什么？____________________

【参考答案】

（1）还需测量小球A的质量ｍ，重盒C的质量M，弹簧的压缩量X  

（2）    

（3）①用天平称出小球质量和重盒的质量；②用球A接触弹簧但不压缩，记录其重心位置，读取导轨上相应的读数；③改变弹簧压缩量，重复实验若干次．    

（4）①要注意每次实验时，弹簧压缩量不要过大，以保证绳总处于绷直状态，同时摆角不大于90°；②每次实验时，弹簧的压缩量也不宜过小，否则压缩量L及摆角θ的测量相对误差大，轨道摩擦损耗不可忽略．   

【名师解析】根据弹簧的弹性势能转化为球和盒子的重力势能,知需要测量球和盒子的质量以及弹簧的压缩量;再结合弹性势能的减小量等于小球的动能的增加量,碰撞过程动量守恒;向上摆动过程机械能守恒，对照表达式确定实验步骤分析求解

(1)弹簧的弹性势能转化为球和盒子的重力势能,要测量重力势能的增加量,要测量小球A的质量m、重盒C的质量M;要研究弹性势能和压缩量的关系,要测量弹簧的压缩量X;
还需测量:小球A的质量m、重盒C的质量M、弹簧的压缩量X;
(2)弹性势能的减小量等于小球的动能的增加量,故 ;
碰撞过程动量守恒,故

继续摆动过程机械能守恒,故 
联立计算得出;
(3)缺少的主要实验步骤有:
①用天平称出小球质量和重盒的质量;
②用球A接触弹簧但不压缩,记录其重心位置,读取导轨上相应的读数; 

③改变弹簧压缩量,重复实验若干次. 

 (4)①要注意每次实验时,弹簧压缩量不要过大,以保证绳总处于绷直状态,同时摆角不大于;
②每次实验时,弹簧的压缩量也不宜过小,否则压缩量L及摆角 的测量相对误差大,轨道摩擦损耗不可忽略.